杨大为，张　娜，肖安洪，何腾蛟，刘　东

(中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川成都　610041)



基于三维远程可视化技术的前后处理设计平台解决方案研究

杨大为，张娜，肖安洪，何腾蛟，刘东

(中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川成都610041)

摘要:介绍了在新应用需求下，通过将集群技术、图形调节和远程桌面等多项技术整合，形成基于三维远程可视化技术的设计平台完整解决方案，方案具备设备集中管理、资源统筹调配和服务标准提供等应用优势，为科研设计任务中涉及的结构建模、前/后处理等设计阶段提供相应的计算资源支撑。

关键词:三维可视化;计算机辅助设计;计算机辅助工程;虚拟桌面

随着计算机技术及应用的迅速发展，CAD与CAE等新技术亦得以迅猛发展。现阶段，CAD、CAE已经在电子、造船、航空、机械、建筑、核科学等各个领域中得到了广泛应用，这不仅极大地缩短了设计和分析的周期，同时通过仿真模拟，可对设计模型进行前期验证，找出产品最佳解决方案，降低材料消耗和成本，为后期制造或生产取得巨大的经济效益［1］。

为满足设计需要，通常情况下，设计单位常采购高性能工作站，以满足CAD建模和CAE前后处理软件对底层设计平台计算资源的需求。其大致配置见表1。

表1　高性能工作站配置

该工作站主要承担下述软件的运行和计算处理过程。

1) CAD方面。

主要使用UG、CATIA和INVENTOR用于各组成部分三维结构建模、大装配方案设计以及方案评审和成果汇报等。

2) CAE前后处理方面。

主要使用ICEM CFD，用于三维模型的网格划分，实现物理方程的离散化。

CFX PRE用于求解过程的边界化设置。

由于采用传统技术手段，受到条件限制，因此无法实现对工作站硬件和软件的集中管理。工作站在信息部门完成操作系统和应用软件安装后，以台式机的形式分派给指定的设计人员，这样的运行管理模式存在以下弊端［2］:

1)机器与人员绑定，资源浪费严重。

图形工作站的CPU、内存和图卡等部件均属高端配置，据设备日常运行数据分析，用户独占模式下的设备平均负载率仅为峰值负载的30%。这清楚表明，单一用户往往不能充分利用高端图形工作站的设计资源，特别是显卡资源，导致资源浪费［3］。

同时，一台高端图形工作站的采购成本往往超过10万元，昂贵的价格大大提高了设计成本，限制了工作站的采购台数。大多数设计人员仍使用普通PC机作为大型三维图形处理软件的运行载体，其运行效果可想而知。这忙闲不均的运行状况，对于项目实施和设计质量均造成潜在的影响。

2)缺乏集中管理手段，部署运行困难。

鉴于图形工作站资源紧缺性，在该阶段设计任务完成后，使用人需按项目要求移交至其他人员。信息部门须协助设计人员，将设计数据导出，更改计算机配置，如登录帐户、环境变量和网络接入等。上述部署过程涉及多方人员，其过程多为手工操作，过于繁琐，不仅工作量巨大，而且极有可能出现人为疏忽，造成异常操作。

同时由于缺乏监控手段，对分散使用的图形工作站运行情况无法进行及时获取。一方面，无法向领导层提供准确的运行信息，实现资源的统一调配。另一方面，当工作站硬件或软件出现异常时无法及时响应，导致故障最终发生，从而影响项目的整体进度。

3)数据存储分散，存在安全隐患。

工作站上的设计数据仅存储于本地磁盘之上。分散的存储模式，使得自动化备份手段难以有效实施。同时硬件损坏、病毒爆发等事件难以避免，导致设计数据及成果文件的丢失或破坏，为数据存储的安全性和完整性带来了隐患。

综上所述，传统部署和运行模式已经不能满足未来设计平台的应用要求。随着近几年集群、虚拟化和基于以太网的高质量图形压缩传输技术的迅速发展，基于三维远程可视化技术的图形工作站集群解决方案为上述问题的解决提供了可能。

2　解决方案

本文从硬件层、软件层和使用流程3个角度出发，结合实际应用需求，对该设计平台的解决方案进行详细阐述。

2.1硬件层实现

三维远程可视化设计平台的硬件拓扑架构如图1所示。

图1　硬件拓扑架构

在本文中设计平台的硬件部分主要包含以下几部分内容:

1)网络互联。

虽然设计人员与三维设计工作站群集的数据交互完全由以太网作为传输载体，但是考虑到千兆以太网接入目前已经普遍实现，同时结合图像调节和数据压缩技术的使用，以太网硬件设备可完全满足上层业务的需求，因此无需对网络构架部分进行升级或改造。

2)图形工作站集群。

在图形工作站方面，在本方案中将原有分散部署于设计人员工位处的物理设备进行回收，统一放置于中心机房，同时根据实际情况进行功能分区。

图1中，在图形工作站集群的右侧，该部分设备利用虚拟化技术，将设备资源进行逻辑划分，实现多用户对一台工作站硬件资源的复用，该部署模式适合三维模型局部建模或轻量级网格划分等设计工作的开展。在图形工作站集群的左侧，该部分工作站采用物理机上直接安装应用的部署模式，保证上层应用可最大效率地利用底层硬件提供的图形渲染和计算能力。这部分设备适合大型三维模型的装载，如完整装配流程方案的演示。

3)存储系统。

在存储系统方面，改变传统模式下模型数据在工作站本地磁盘存储的访问存储模式。搭建数据中心，利用SAN、NAS等多种存储结构，上层配合相应的文件系统，为图形工作站集群提供块、卷和文件级不同类型的文件访存模式。数据中心的访存模式不仅极大提高了数据交互的速率，更方便设计的整体备份和安全防护，为数据访存的安全性提供了技术保证。

2.2软件层实现

三维远程可视化设计平台软件层的逻辑架构示意图如图2所示。

图2　软件层逻辑架构

1)设计用户访问门户。

软件层提供了一个可定制的、简单易用的统一访问门户。通过与作业调度软件及应用软件的集成，最终用户可通过浏览器访问诸如三维设计、仿真计算等多种软件资源，大大降低了应用人员使用的复杂性，提高了程序运行的安全性、可管理性。

2)远程三维可视化技术。

该模块为远程三维可视化提供基础功能实现。通过该模块，用户可以在低端的桌面机上使用远端图形工作站的CPU、内存、显卡等完成大型三维交互设计［4］。该模块支持基于Linux或基于Windows虚拟机的三维桌面访问和共享，从而实现对远端工作站和显卡的共享。除此之外，该模块针对远程桌面会话提供相应的运行、管理接口，方便管理员的日常运行维护。

3)作业调度系统。

作业调度系统为管理员提供基于任务优先级或基于负载均衡等多种调度策略，以此提高计算资源的利用率。

4)管理应用网关。

考虑到生产环境中存在大量种类繁多的软、硬件资源，通过应用网关的部署，软、硬件资源在后期集成时，均需遵守该网关的协议接口进行访问。这屏蔽了各资源之间的差异性，保证异构资源在同一平台能够无缝集成，确保集群系统和分布式应用的正确实施。

5)报表系统。

利用报表系统提供的数据联机在线分析解决方案，实现在线、接近实时的统计分析报表功能。同时报表系统支持异构的多集群报表分析，可以将高性能计算集群和工作站集群数据统一收集并生成统计分析报表。管理员利用上述数据可完成平台级实时监控、运行状态分析等操作，为全网络环境中资源的统筹调配提供数据参考。

6)配置管理系统接口。

为实现前处理、仿真数值计算、后处理等设计过程中计算数据的顺利迁移，满足多学科联合设计的要求，在软件层的实现中，利用PDM等配置管理系统提供的二次开发接口，将底层异构化的系统进行耦合。所有中间数据文件，均通过入库/出库操作，完成各个节点数据的交付。这样不仅满足统一平台的设计要求，同时通过配置管理工具的使用，为工程设计过程中的质量控制提供了完整的技术支撑。

2.3设计流程实现

上述软、硬件层仅为设计平台提供了必需的计算资源和技术支撑。只有结合自身业务实际需求，定制相应的设计流程，才可充分发挥该设计平台的技术优势，为科研工程项目的开展提供技术保证。

图3是设计用户访问该平台的一个全过程展示，其主要包含以下几个步骤:

图3　访问流程示例

1)任务提交。

用户通过局域网络，登录三维远程设计平台的门户网站，在功能列表中，选择所需的设计软件，同时设定该软件运行所需参数并上传数据文件。

2)任务调度和会话创建。

Web门户服务器会将用户提交数据打包后转发至调度系统，调度系统将根据管理员实现编辑定义的调度策略文件，通知桌面会话管理系统，为设计用户创建相应的桌面会话，等待运行资源就绪，即可调度分配。

3)资源分配和任务运行。

作业任务由调度系统成功创建后，位于服务器端的工作站集群系统将会根据作业所需的运行资源进行系统遍历，以确认任务是否可以立即执行。若运行资源均满足，则启动该任务;否则挂起或注销该任务。同时，针对科研生产过程中时常出现的突发情况，系统提供手动操作接口，临时终止或挂起某些桌面任务，将资源紧急回收后，为指定任务提供资源支撑。

4)任务返回。

任务的创建结果将返回给设计用户。若该任务为三维远程桌面会话，则承担三维模型处理的工作站与设计用户终端之间，在局域网中将建立图像数据的“直传”隧道，保证传输的高效性。

3　结束语

现阶段，随着CAD、CAE等先进设计软件的大规模应用，科研工程项目对其依赖性也与日俱增。高性能计算求解、结构建模或前、后处理等设计阶段，彼此依附，关系紧密。正因如此，需要一整套设计方案将上述环节进行融合，为设计人员提供完整的访问和使用流程，切实解决施工设计阶段底层的平台支撑。

通过对本文解决方案的逐一阐述，可以清晰看出，该方案符合通用设计平台的建设需求，包括工作站的集中管理、标准服务接口的提供、三维模型设计等一站式处理。后期可基于该系统平台，以二次开发为手段，深化设计平台与单位主流业务的融合，只有因地制宜不断进行技术改造，才能充分发挥技术优势为科研人员提供有力的技术支持和平台保障。

参考文献:

［1］张军华，臧胜涛，单联瑜，等.高性能计算的发展现状及趋势［J］.石油地球物理勘探，2010，45(6) :918－925.

［2］曹连雨，龚道童.曙光CAE高性能计算平台解决方案［EB/ OL］.(2010－01－02)［2015－05－07］.http: / /http: / /wenku.baidu.com/view/c1f48af34693daef5ef73d5b.html.

［3］IBM，Inc.HPC高性能计算和3D桌面云解决方案［EB/OL］.(2013－06－12)［2015－05－07］.http: / /wenku.baidu.com/ view/6dc45e812cc58bd63186bdf7.html.

［4］NICE，Inc.Remote Visualization［EB/OL］.(2015－03－18) ［2015－05－07］.http: / /www.nice－software.com/solutions/ remote－visualization.

Research on the technical solution of 3D visualization of design platform

YANG Dawei，ZHANG Na，XIAO Anhong，HE Tengjiao，LIU Dong
(State Key Laboratory of Reactor System Design Technology，Nuclear Power Institute of China，Sichuan Chengdu，610041，China)

Abstract:Combining the constantly growing digital application patterns，it integrates cluster technology，graphics and many technologies such as remote desktop adjustment，proposes a solution for 3D visualization design platform.This platform provides many application advantages such as the centralized equipment management，allocate resource and service standards，supports the computing resources of research process for structure model，pre/post－processing.

Key words:3D visualization technique; CAD; CAE; virtualization desktop

DOI:10.3969/j.issn.2095－509X.2015.06.016

作者简介:杨大为(1983—)，男，四川宜宾人，中国核动力研究设计院工程师，硕士，主要从事核动力装置软件研发及高性能计算技术应用工作。

收稿日期:2015－05－11

中图分类号:TP311.5

文献标志码:A

文章编号:2095－509X(2015) 06－0063－04